Физические основы работы вакуумных насосов

Как видно из этой формулы, быстрота действия поршневого насоса с учетом натекания из вредного объема уменьшается с уменьшением давления и при давлении р, равном предельному р_п, становится равной пулю.

Капельный ртутный насос представляет собой разновидность поршневого, в котором роль поршня выполняют капли ртути, передвигающиеся вдоль вертикальной трубки (рис. 11.10). Трубка должна иметь небольшой диаметр (d^.2 мм) и высоту больше барометрической (760 мм рт. ст.). Капли ртути, падая в длинную трубку, захватывают пузырьки воздуха’ из откачиваемого объема и выталкивают их в атмосферу. Очевидно, процесс откачки будет происходить тогда, когда полная высота капелек ртути (без воздушных пузырьков) превысит 760 мм.. Только при этом условии перемещение капелек ртути в длинной трубке вызовет появление в ней «торричеллиевой пустоты», с которой и связано откачивающее действие капельного насоса.

Быстрота действия такого устройства очень мала — порядка нескольких кубических миллиметров в секунду. Увеличить скорость откачки можно путем использования блока параллельных трубок, а применение трубок большего диаметра не приведет к успеху, так как в этом случае капли ртути не будут удерживаться стенками.

Предельный вакуум капельных насосов может быть того же порядка, что и давление насыщенного пара ртути при комнатной температуре (р_п~10“³ мм рт. ст.).

Вращательный ртутный насос. Принцип работы насоса показан на рис. 11.11. Ротор 2, состоящий из двух секций-лабиринтов, вращается в цилиндрическом статоре, наполненном ртутью до уровня, несколько превышающего ось вращения. При вращении ротора в направлении, указанном стрелкой, объем камеры 5 увеличивается, благодаря чему происходит всасывание газа через отверстие а из вспомогательной камеры 3, соединенной трубкой 4 с откачиваемым объемом. В это же время объем камеры 6 продолжает уменьшаться, здесь газ сжимается и, поскольку отверстие b перекрыто (погружено в ртуть), выталкивается в пространство между стенками лабиринта, а затем в свободное пространство статора, соединенное с насосом предварительного разрежения. В течение второго полуоборота ротора этот цикл повторяется, только теперь заполняется камера 6, а в камере 5 газ сжимается и выталкивается в пространство статора А В описанном варианте вращательный ртутный насос требует предварительного разрежения порядка 10—20 мм рт. ст., чтобы предотвратить попадание ртути в откачиваемое пространство.

Предельный вакуум для этого насоса определяется упругостью насыщенных паров ртути. Если же принять меры к тому, чтобы пары ртути не проникали в откачиваемый объем, то предельное давление достигает 10~⁴— 10^-5 мм рт. ст.

Пластинчатые насосы. Свое название эти насосы получили из-за наличия в их конструкции пластин, которые в одном типе насосов вращаются вместе с ротором (пластинчато-роторные насосы), а в другом — расположены в статоре (пластинчато-статорные насосы).

Пластинчато-роторный насос состоит из цилиндрического ротора 1 (рис. 11.12), ось вращения которого расположена эксцентрически относительно оси полости статора 2 так, что ротор и статор касаются друг друга по общей образующей ab. Ротор по диаметру имеет прорезь (проем), в которую помещены две пластины $1 и s₂, прижимаемые к цилиндрической поверхности статора расположенной между ними пружиной 3. Кроме того, в корпусе статора имеются входное отверстие и выпускной канал, в котором смонтирован шариковый клапан. Таким образом, ротор, статор и пластины создают три объема Л, В и С. Объем Л, расположенный со‘стороны входного отверстия, называют полостью впуска, объем В, отделенный пластинами от входного и выходного отверстий,— полостью переноса и объем С — полостью выпуска.

При вращении ротора в направлении, указанном стрелкой, объем полости Л увеличивается, и происходит всасывание газа из откачиваемого объема, присоединенного к входу насоса. Одновременно полость выпуска продолжает уменьшаться, что приводит к сжатию газа и выталкиванию его наружу. Когда пластина s₂ пройдет Объемы, расположенные между общей образующей ab и отверстиями в статоре, являются «вредными» пространствами. Вредность пространства у выходного отверстия заключается в том, что в нем газы сильно сжаты, в то время как в полости всасывания создается разрежение, в результате чего возможен прорыв газа через образующую ab в откачиваемую систему. Во избежание этого нужно сводить к минимуму вредные пространства, приближая отверстия входа и выхода газа к образующей ab. С другой стороны, трущиеся поверхности пластинчатых насосов должны быть хорошо обработаны и нуждаются в постоянной смазке специальными вакуумными маслами. Смазка, кроме того, служит для заполнения вредного пространства С (рис. 11.12) в конце периода сжатия. Это необходимо для открытия выпускного клапана, когда вакуум, создаваемый насосом, приближается к предельному и давления сжатого газа недостаточно для открытия выхлопного клапана. Тогда клапан открывается маслом, вместе с которым удаляется и газ.

Предельный вакуум р_п, создаваемый пластинчато-роторными насосами, зависит не только от величины вредного пространства, но также от качества обработки поверхностей, их смазки и сорта масла. Обычно для одной ступени рп достигает 10^-2 мм рт. ст. Для получения лучшего предельного вакуума применяют последовательное включение двух насосов, как показано на рис. 11.13. Такое соединение обычно выполняется в одном блоке, и насос называют двухступенчатым. Для двухступенчатых насосов р_пж 10~³ мм рт. ст.

Пластинчат O’-с таторный насос. В отличие от пластинчато-роторного насоса здесь пластина з расположена в статоре (рис. 11.14). Так как ротор 1 посажен эксцентрически по отношению к камере и вращается вокруг оси симметрии цилиндрической полости статора, то пластина $ под действием пружины может участвовать только в возвратно-поступательном движении, разделяя рабочую камеру на две полости: всасывающую/1 и выпускную В.

При вращении ротора в направлении, указанном стрелкой, объем пространства А увеличивается и происходит всасывание газа из откачиваемого объема. В это же время объем пространства В уменьшается, что приводит к сжатию газа и выбрасыванию его через выхлопной клапан в атмосферу.

В пластинчато-статорном насосе за один оборот ротора также удаляется объем газа, равный рабочему объему насосной камеры (пространство А плюс пространство В). Поэтому быстрота действия его выражается такой же формулой (11.30), как и для пластинчатороторного насоса.

К основным преимуществам пластинчато-статорных насосов относятся: малый объем вредного пространства у выходного отверстия и меньшее количество таких мест внутри насоса, через которые газ смог бы просачиваться в откачиваемую систему. Для повышения герметичности и обеспечения смазки трущихся поверхностей применяется специальное вакуумное масло. Обычно весь агрегат насоса, за исключением входного патрубка, помещается в масляную ванну.

Двухступенчатый вариант пластинчато-статорного насоса обеспечивает предельный вакуум р_п~ 1СН мм рт. ст.

Пластинчатые газобалластные насосы. Описанные выше пластинчатые насосы непригодны для эффективной откачки объемов, содержащих значительное количество конденсирующихся паров, так как последние не подчиняются закону Бойля — Мариотта. Парциальное давление пара при сжатии остается постоянным, а его излишек переходит в жидкую фазу и, смешиваясь с маслом, образует эмульсию. Поэтому через выхлопной клапан насоса выбрасывается увлажненный сжатый воздух, а основная масса пара, попавшего в насос, остается в сконденсированном состоянии в виде масложидкостной эмульсии или растворяется в масле, что приводит к быстрому ухудшению предельного давления насоса. Были предложены различные методы борьбы с этим, например нагревание масла, центрифугирование, но наиболее удобной оказалась продувка с использованием газобалластного устройства, которое устанавливается в корпусе пластинчатого насоса и может быть по желанию открыто или закрыто.

Рассмотрим работу газобалластного пластинчато-роторного насоса, схема которого приведена на рис. 11.15. В насосах такого типа применяется добавочное отверстие Z), находящееся перед выпускным клапаном. Перед самым выхлопом, когда пластина проходит отверстие £>, в область переноса впрыскивается некоторое количество воздуха при атмосферном давлении. Впущенный воздух (газовый балласт) снижает парциальное давление паров и таким образом предотвращает конденсацию их перед выхлопом в атмосферу.

Если объем области переноса (положение II на рис. 11.15) обозначить через V, а объем области сжатия в момент открытия выхлопного клапана (положение III) — через V₂, то для нормальной работы газобалластного иасоса необходимо выполнение условия Рпас> >Рв v » ^гд—^е Риас — давление насыщенных паров, а Ри— давление пара на входе в насос.

навливается перепад давлений (рис. 11.17), описываемый уравнением Бернулли

Если теперь сечение трубки с пониженным давлением сообщить с откачиваемым объемом, то газ будет устремляться в эту область и за счет внутреннего трения увлекаться вместе со струей рабочего вещества. На этом принципе основана работа водоструйного и эжекторных насосов.

Водоструйный насос. В этом типе вакуумных насосов струя воды с давлением в несколько килограммов на квадратный сантиметр подается в патрубок 1 (рис. 11.18) и в месте его сужения 2, которое называют соплом, выходит с повышенной скоростью. Чтобы избежать разбрызгивания воды и обеспечить поступление ее в отводную трубку 3, входная часть последней выполнена’в виде воронки, окружающей сопло.

Струя воды вследствие внутреннего трения увлекает с собой газ, который поступает в область пониженного давления из откачиваемого объема, и переносит смесь воды и газа к выпускному отверстию насоса.

При удачной конструкции и достаточной скорости водяной струи в водоструйном насосе можно получить предельное разрежение ~5 мм рт. ст. (без учета упругости паров воды). Если же не применять специальные меры по удалению паров воды из откачиваемого объема, то предельное давление будет определяться упругостью водяного пара при данной температуре. Например, при температуре воды ~20 С предельный вакуум равен 17 мм рт. ст.

Водоструйные насосы широко применяются в лабораторной практике благодаря их доступности и простоте устройства. Быстрота действия водоструйных насосов лабораторного типа достигает 100 см³/сек.

Пароэжекторные насосы. Название этого типа насосов связано с использованием эжектора — сверхзвукового расширяющегося сопла (рис. 11.19). В таком устройстве струя пара, выходящего из сопла 1 в камеру 2, расширяется и ее энергия давления переходит в энергию скорости потока. Форму сопла 1 подбирают такой, чтобы на выходе из него пар двигался со скоростью, превышающей скорость звука. При этом на границе струи появляется турбулентный слой, приводящий к интенсивному перемешиванию пара и откачиваемого газа и сообщению последнему направленной скорости. Таким образом, в паровом эжекторе газ получает компоненту скорости в направлении потока рабочего пара. Образовавшаяся парогазовая смесь из камеры смешения 2 попадает в расширяющийся диффузор 3, в котором скорость потока уменьшается, а статическое давление растет. Здесь энергия скорости снова переходит в энергию давления, вследствие чего из диффузора 3 газ выходит при давлении, значнтельно превышающем давление на входе в смесительную камеру.

На рис. 11.20 показано схематическое устройство одноступенчатого эжекторного, паромасляного насоса, который может обеспечить предельный вакуум порядка Ю^-1—10~² мм рт. ст. Для получения более низких давлений эжекторные насосы делают многоступенчатыми, и тогда предельное давление снижается до 10~³— 10~⁴ ,лел{ рт. ст.

Основным преимуществом эжекторных насосов является большая быстрота действия (50—1000 л/сек) в интервале давлений 10~*—10~² мм рт. ст., т. е. в области, которая уже близка к предельному вакууму для пластинчатых насосов, создающих предварительное разрежение для высоковакуумных насосов, а последние обладают наибольшей быстротой действия при более низких давлениях. Поэтому эжекторные насосы рационально располагать между высоковакуумными и насосами предварительного разрежения или использовать в качестве самостоятельных насосов, непосредственно присоединяемых к вакуумной системе, если требуется быстро получить разрежение до не очень высокого вакуума.

Молекулярные насосы

При изучении работы описанных выше вакуумных насосов можно было рассматривать откачиваемый газ с макроскопической точки зрения, отвлекаясь от его молекулярного строения. Такой газ представляет собой непрерывную среду, в целом неподвижную, хотя каждая из его молекул принимает участие в беспорядочном (тепловом) движении. Переходя к изучению принципа работы молекулярных насосов, необходимо изменить и свои взгляды на газ, рассматривая его с микроскопической точки зрения, учитывающей поведение и свойства отдельных молекул (атомов) газа.

По конструктивному оформлению различают механические и диффузионные молекулярные насосы.

Механические молекулярные насосы. Изучая основы физически разреженных газов (раздел 1), мы обращали внимание на специфику явления удара молекул газа о поверхность твердого тела. При таком взаимодействии молекулы газа удерживаются на поверхности твердого тела некоторое малое, ио конечное время, после чего испаряются в направлениях, не связанных с углом падения, а подчиняющихся закону косинуса (раздел I, 2.4).

Если поверхность твердого тела заставить двигаться с какой-то скоростью U, то все ударяющиеся о нее молекулы получат добавочную скорость, направленную в сторону движения поверхности. Это явление и положено в основу конструирования вращательных молекулярных насосов.

Схема простейшего молекулярного насоса приведена на рис. 11.21. В статоре 1 с большой скоростью вращается барабан (ротор) 2. При вращении ротора молекулам газа, соударяющимся с его поверхностью, сообщается направленная скорость, и они перемещаются от впускного отверстия п к выпускному т. Движение газа происходит по узкому каналу 3 высотой h и длиной I (вне канала зазор очень мал, так что перетекание газа по нему затруднено). Измерив давление на входе и выходе канала. 3 с помощью U-образного манометра 4 (см. раздел Ш), убедимся, что в результате вращения ротора происходит сжатие газа, и манометр покажет перепад давлений (р_т—р_п)> Его можно подсчитать для вязкостного и молекулярного режимов течения газа.

Поскольку нас интересует качественная сторона явления, то мы не сделаем большой ошибки, если к прямоугольному сечению канала применим полученные в разделе I формулы, относящиеся к течению газа в цилиндрических вакуумпроводах.

С некоторой степенью приближения можно вместо движения ротора относительно газа рассматривать перемещение газа по отношению к стенкам канала. Тогда при вязкостном режиме течения газа (Х<^А) объем газа, протекающего в единицу времени через поперечное сечение канала площадью будет равен (см. раздел I, 3.4)

где U — скорость движения газа относительно стенок канала. Тогда из (11.32) и (11.33) получаем

т. с. при вязкостном режиме течения газа разность давлений, возникающая при вращении ротора, не зависит от среднего давления в канале.

Выражение (11.34) будет справедливо до тех лор, пока число взаимных столкновений молекул газа превышает число столкновений со стенками канала. В этой области давлений вязкость газа также не зависит от р (см. раздел I, 3.4).

При низких давлениях (молекулярный режим течения газа, Л^>Л) объем газа, протекающего в единицу времени через поперечное сечение канала, вычисляется по формуле (см. раздел I)

Таким образом, при молекулярном режиме течения газа не зависящей от среднего давления в рабочем канале насоса величиной является не разность давлений (Рш — Рп), а отношение pnlp-m. Больше того, при постоянной скорости вращения ротора отношение между давлениями у входа и выхода из канала остается неизменным. Из формулы (11.35) также видно, что при достаточно большой, скорости вращения ротора давление рт на выходе насоса может на несколько порядков превышать давление р_п на его входе. Поэтому предельный вакуум будет тем лучше, чем ниже уровень предварительного разрежения.